本文將概述如何設計鋰離子電池。它將研究電池的兩個主要組件：電池和電子設備，并將鋰離子電池化學與市場上其他類型的化學進行比較，例如密封鉛酸 （SLA）、鎳金屬氫化物 （NiMH）和鎳鎘 （NiCd），以及它如何影響設計。我們將深入探討鋰離子電池的安全方面，以及電池管理系統 （BMS） 如何確保電池以安全運行的方式使用。未來的文章將深入探討這些方面的每一個方面。
電池概覽
在當今便攜式電子產品的世界中，您一天都離不開鋰離子充電電池。這些電池為您的手機、智能手表、平板電腦、筆記本電腦、汽車、自行車、家庭和飛機供電。不幸的是，最近關于電動汽車起火，電池問題的消息凸顯了鋰離子電池的危險性。市場壓力繼續(xù)以盡可能小的體積推動盡可能多的能量加劇了安全問題。鋰離子化學本質上并不安全，因此電池的選擇、制造工藝、電池的電氣和機械設計對于確保電池的安全至關重要。
電芯是電池的電源。電池有許多不同的尺寸、形狀和化學成分。電子設備的主要目標是確保電池在其安全操作條件下使用。外殼為電池和電路板提供了一個外殼，以實現機械完整性。
電池化學
無論其化學性質如何，電池的基本結構都非常相似。它由四個主要部分組成：陽極、陰極、隔膜和電解質。電池的目標是產生電子流，從而產生電流，可用于為 LED、燈泡、電子設備、電機等供電。
由陰極和陽極組成的電極由兩種不同的材料制成。一個更自由地放棄電子，而另一個更愿意接受它們。隔板確保陽極和陰極不會接觸（短路）并允許鋰離子流過。電解質用于產生氧化/還原過程和離子在陽極和陰極之間流動的介質。
當電路完成時，它會產生化學反應，使電池放電。陽極材料在負極端放棄其電子，并圍繞外部電路流向陰極側。鋰離子同時通過電解質材料從陽極流向陰極。在充電過程中發(fā)生相反的情況。
陰極、陽極和電解質的差異構成了不同類型的電池。每個元素都有其獨特的特性，這些特性會影響電池的載流能力、電壓、循環(huán)壽命、儲存壽命、安全性和工作溫度。
鋰離子電池
由于其非常高的能量密度、低維護要求和出色的循環(huán)壽命性能，鋰離子化學正在贏得電子行業(yè)未來首選電池化學的競爭。鋰離子電池有三種主要形狀：圓柱形、棱柱形和聚合物。
圓柱形電池有兩種常見的尺寸：18650 和 26650 尺寸。這些電池是鋼或鋁的。尺寸的前兩位數字是罐的直徑，以毫米為單位，接下來的三位數字是以毫米為單位的長度。因此，對于 18650 電池，直徑為 18 毫米，長度為 65.0 毫米。這些電池通常用于筆記本電腦電池，并廣泛用于電動工具電池。這些電池也出現在許多電動汽車中。幾家電池制造商正在尋找 21700 的新圓柱尺寸，以實現電動汽車要求驅動的更高容量（超過 4Ahr）。
棱柱形電池是矩形電池，在老一代手機（翻蓋手機）中非常流行。許多使用棱柱形電池的應用正在被聚合物電池所取代。
聚合物電池用于許多手機、平板電腦、筆記本電腦和可穿戴設備。它們有各種不同的形狀和大小。行業(yè)中沒有標準的聚合物尺寸會導致可用性問題，因為如果沒有任何大的需求支持，這些電池很快就會過時。大多數聚合物電池尺寸是針對特定應用的定制尺寸。聚合物電池可以具有非常高的能量密度并且還可以提供非常高的電流速率。在聚合物電池中進行設計時，需要考慮仔細的機械設計考慮。聚合物電池周圍需要有機械保護，以確保它們不會被刺破或壓碎。此外，外殼需要考慮隨著時間的推移而膨脹。
鋰離子電池有各種不同的陽極和陰極材料組成。每種化妝品都提供了優(yōu)于其他化妝品的特定優(yōu)勢。需要仔細選擇電池，以確保將最佳鋰離子化學物質用于應用和用例。
電子產品
盡管鋰離子化學與其他電池化學相比具有許多優(yōu)勢，但最大的缺點是其安全性能。如果使用不當，鋰離子電池會產生熱事件。堅固的電子設備和保險絲需要納入電池設計中，以確保其在安全運行條件下使用。
如果電池遇到過流、過壓、欠壓、過熱和/或過熱情況，主保護會關閉充電和/或放電。二級保護電路是一種冗余保護功能，可在過壓時熔斷保險絲并永久禁用電池。二級保護的過電壓整定值高于一級保護整定值。僅當一級保護由于設計/制造缺陷而不起作用時，才會觸發(fā)二級保護電路。需要通過UL2054測試的電池通常需要二次保護。
此外，一些電池可能具有電量計以測量其剩余容量。有幾種技術可以做到這一點。最原始和最簡單的方法是將電壓與充電狀態(tài)相關聯。這有幾個缺點，因為它沒有考慮溫度、放電電流和電池壽命，這些都會影響電池容量。實際上很少有電池使用這種方法。
另一種方法是使用庫侖計數技術，該技術跟蹤進出電池的電流。初始容量被編程到電池中，當它放電時，它會通過測量電流和時間減去剩余的容量。如果電池正在充電，它會將其加起來。這是一種比僅僅依靠電壓測量更準確的容量測量方法。庫侖計數的缺點是它需要定期發(fā)生完全放電，以便它“了解”電池需要重新校準自身的容量。
最常用的測量方法是使用基于阻抗軌跡的電量計。這些 IC 實際上測量電池上的阻抗，并隨時間、溫度和使用模式跟蹤它。這些 IC 在報告容量方面往往比基于電壓或庫侖計數的同類產品更準確。它們確實需要事先進行電池表征并將數據加載到電量計中。
電池平衡是電池中采用的另一個功能，可確保電池在整個使用壽命期間保持平衡并保持平衡。電池不平衡可能是由于電池上的不均勻電流消耗、不均勻的熱負載和/或工廠中電池匹配不良而導致的。電池不平衡會縮短電池壽命，在某些情況下可能是安全問題。有兩種常見的電池平衡方法：被動和主動。無源電池平衡電路使充電量最高的電池放電，而有源平衡電路將電荷從一個電池轉移到另一個電池。需要進行廣泛的驗證以確保電池平衡正常工作。如果配置不正確，它實際上會隨著時間的推移造成電池不平衡并過早地降低電池性能。
總之，鋰離子是一種揮發(fā)性化學物質，與其他電池化學物質相比存在許多安全問題，但高能量密度、高循環(huán)壽命和免維護操作使得將它們用于為電子設備供電非常有吸引力。但是，可以通過為應用選擇正確的鋰電池以及適當的電氣和機械設計來管理電池來減輕安全問題。
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